引言
城乡交界区（Wildland-Urban Interface, WUI）代表一个动态且日益扩张的过渡地带，自然植被与人工建成环境在此共存[1, 2, 3]。在这些区域，野火构成独特且不断升级的威胁，因为植被燃料与建筑构件之间存在直接耦合[4]。与纯粹处于野外或城市环境中的火灾不同，WUI火灾的特点在于火灾蔓延路径复杂，涉及自然燃料与人为燃料，往往导致火势快速且不可预测地传播[5, 6, 7, 8]。随着全球城市扩张持续侵入火灾易发区域，WUI火灾灾害的频率和严重程度大幅上升，造成重大的经济损失、基础设施破坏以及对人类生命的威胁[2, 9]。
在驱动WUI环境中火灾蔓延的各种机制中，风驱火种——即从活跃火源中被扬起的燃烧或余烬状颗粒——始终被认定为导致建筑物被点燃的主要原因[6, 7, 17, 18, 19, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]。火种可以被环境风和火灾诱导的对流羽流携带至相当远的距离，从而使点火发生在主火锋线远前方。多起大规模野火事件的灾后调查表明，相当大比例的建筑点火是由火种暴露而非直接火焰冲击或辐射加热造成的[18, 19, 20]。落地后，这些火种可能积聚在易受攻击的位置，如屋顶、排水沟、通风口和缝隙中，产生足以引发阴燃或火焰点火的局部加热[8, 15, 19, 21, 22]。这种飞火现象显著增强了社区内部的火灾蔓延，并经常使常规灭火策略失效[8, 12, 17]。
与WUI地区不断增长的野火风险并行的是，过去二十年间光伏（PV）系统的全球部署迅速扩展[23, 24]。受紧迫的脱碳和可持续能源生产需求驱动，已安装的光伏容量达到前所未有的水平，并继续以持续的速度增长[25, 26, 27]。光伏系统现已广泛集成于住宅、商业和工业建筑中[28, 29]，其中屋顶安装在郊区和城乡边缘地区尤为普遍，而许多此类地区与野火易发的WUI区域重叠（图1）。尽管向可再生能源的转变带来了巨大的环境效益，但同时也引入了新的且尚未得到充分研究的消防安全挑战。
与传统屋顶材料不同，光伏组件通常安装在升高的配置中，具有安装间隙以促进空气流通和热管理。虽然这有利于能效，但这种配置不经意间增加了对火种暴露的脆弱性，因为余烬可能积聚在组件下方或表面（图1）。此外，光伏组件大面积且连续的表面为火种沉积提供了广阔的靶面。一旦沉积，火种可能被困在组件内部或组件与屋顶的界面处，形成局部持续加热的区域。这些特征表明，光伏系统可能不仅作为火种的被动接收者，而且在点火建立后还可能成为火灾蔓延的潜在贡献者。
从材料角度看，现代光伏组件由多层组件构成，包含聚合物材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）和特氟隆-聚酯-特氟隆（TPT）背板，并结合玻璃、硅电池和金属导体[30]。尽管封装在保护性层内，这些聚合物中的许多本质上具有可燃性，当暴露于高温时易发生热降解[24, 31, 32, 33, 34]。在足够加热的条件下，这些材料可能发生熔融、热解并最终点燃，释放可燃挥发物并产生持续火焰燃烧[35]。此外，聚合物层的熔融和滴落行为可能通过产生二次点火或暴露底部可燃部件而进一步加剧火灾蔓延[36, 37]。
尽管存在这些潜在危害，目前针对光伏组件的消防安全标准主要关注外部火焰蔓延抗性、电气安全以及在均匀辐射热暴露下的性能[38, 39, 40, 41, 42]。基于锥形量热仪或大规模火灾暴露的标准化测试通常不考虑与火种飞落相关的高度局部化、瞬态且由颗粒驱动的热暴露条件[43]。因此，光伏系统对火种引发点火的脆弱性仍了解不足，这是当前消防安全知识和设计实践中的一个关键空白。
先前的研究已在受控加热条件下探索了光伏组件的热学和燃烧行为。使用锥形量热仪的研究在规定的辐射热通量下表征了热释放速率、点火时间和有毒气体排放[44, 45]。其他研究考察了组件倾角、材料组成以及外部火源（如池火）的影响[31, 35]。Manzello和Suzuki[46]还量化了替代光伏组件燃烧产生的火种量，并揭示了角度取向的影响。虽然这些研究为理解光伏材料的固有火灾行为提供了有价值的见解，但它们未能重现与火种攻击相关的独特暴露条件，后者涉及离散的、阴燃的颗粒提供高度局部化且随时间变化的热负荷。
相比之下，针对植被燃料和传统建筑材料（包括覆盖层、木质甲板、屋顶组件和燃料床）的火种点火已进行了大量研究[8, 16, 53, 22, 36, 47, 48, 49, 50, 51, 52]。这些研究表明，点火倾向性由环境因素（如风速、环境条件和氧气可用性）以及火种特征（包括尺寸、质量、几何形状和积聚行为）共同决定[54]。特别是，火种堆集的堆积已被证明可通过增加热通量和延长加热持续时间来显著提高点火可能性[13, 19, 22, 55, 56, 57]。然而，由于光伏组件在材料组成和结构配置上存在根本差异，这些结论对光伏系统的适用性仍不确定。鉴于光伏系统在野火易发地区迅速扩张以及火种在WUI火灾蔓延中已被明确证实的作用，系统研究火种与光伏组件之间的相互作用已十分迫切。具体而言，对导致点火的关键条件的定量理解以及对主导热机制的阐明，对于评估火灾风险并制定缓解策略至关重要。
为了弥合这一知识空白，本研究在变化的风条件下，通过受控火种暴露实验研究了光伏组件的点火行为。采用台式风洞模拟真实的风流动环境，同时使用工程化圆柱形火种以确保可重复且特征明确的热输入。本研究首先量化了惰性表面上火种堆产生的热暴露，随后在不同火种载荷和风速下考察光伏组件的点火响应。通过识别关键点火阈值并阐明其内在物理机制，本研究旨在为提高WUI环境中光伏系统的火灾抗力提供科学依据，并为未来消防安全标准和设计准则提供参考。
Ke Wu|Xinting Zheng|Hengxiang Jin|Chunhou Luo|Yichao Zhang|Tianhang Zhang|Xinyan Huang|Shaorun Lin
